有机硅材料在太阳能发电领域的应用

2016-03-08 08:38:56

摘要:概括介绍太阳能发电技术,着重讨论有机硅材料在太阳能发电领域的应用。


1前言

能源是人类社会存在和发展的重要物质基础,煤炭、石油、天然气等化石燃料历来是主体能源消费结构。多年以来,全球气候变暖和国际原油价格持续攀升,已经昭示人类必须摆脱对化石燃料的依赖,而最近日本地震海啸之后接踵而来的核电站灾难,又向人类提出了核能的警告,人们转向重视研究开发可再生能源,太阳能是一种取之不竭、清洁的可再生能源,利用太阳能发电是当代最热门的能源研究课题。
具有优异工艺性能和使用性能的有机硅材料,已经进入太阳能发电领域,伴随太阳能产业的发展,太阳能发电技术不断进步,对于与之配套的材料不断提出新的要求,有机硅材料将会发挥更加重要的作用,这也为有机硅产业带来了新的发展机遇。


2太阳能发电工作原理、运行方式及系统组成

目前较成熟的太阳能发电技术主要有太阳能光伏发电技术和太阳能光热发电技术。

光伏发电系统的主要优点是构建规模灵便,可以有效利用建筑物屋顶和幕墙,无需占用土地资源,可以就地发电就地应用,减少电力输送损耗。光伏发电装置基本不应用运转机械设备,可靠稳定寿命长、安装维护简便。光热发电则规模效应明显,光热发电只适合大规模电站,对土地面积、资金规模等要求较高,电站规模越大,单位电量的成本越低。


2.1 太阳能光伏发电技术

光伏发电是根据光生伏打效应原理。光伏发电的能量转换器是太阳能电池,又称为光伏电池,是光伏发电系统的核心。在太阳光照射下,太阳能电池的光电转换芯片吸收光能,产生光电子-空穴对,在电池芯片内建电场的作用下,光生电子和空穴被分离,其结果在电池两端形成异性电荷的积累,即产生“光生电动势”,这种光照产生电压的现象就是“光生伏打效应”。在光电池内建电场的两端分别接上引线和连接负载,则负载就有电流流过,由此实现光伏发电和做功。

因制造太阳能电池的基本材料和工艺的不同,太阳能电池的结构有多种样式。应用最多的常规硅太阳能电池的结构示意如下图:


不论是独立使用还是并网发电,光伏发电系统主要由太阳电池板(组件)、控制器和逆变器三大部分组成,它们主要由电子元器件构成。光伏发电布局较为灵活,既可以建设大规模的光伏电站,也可以将光伏电池安装在屋顶上,甚至是移动设备上。借助于未来智能电网的发展,家庭光伏发电可以随意合并入网,发展前景远大。

目前应用较广的太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅和非晶硅三种,近年来也出现了磷化铟、砷化镓、铟硒铜等硅以外的化合物材料。


2.2 太阳能光热发电技术

太阳能光热发电技术就是利用光学系统聚集太阳辐射能,以其加热工质产生蒸汽,驱动汽轮发电机组发电。依据聚光方式的不同,太阳能光热发电分为塔式、槽式、碟式(盘式)和菲涅尔聚焦四种光热发电方式。目前槽式太阳能发电系统和塔式太阳能发电系统实现了商业化,碟式太阳能发电系统已经过了示范阶段,完成了技术验证,正在进入商业阶段,菲涅尔聚焦光热发电的研究已取得初步成果。


槽式太阳能光热发电系统采用的是“线聚焦”原理,通过大面积的槽式抛物面反射镜将太阳光聚焦反射到一条集热管上,加热管内的热载体,再通过热转换设备产生高压蒸汽,送入常规的汽轮机内进行发电。系统一般由聚光集热装置、蓄热装置、热机发电装置或/和辅助能源装置(如锅炉)等组成。聚光集热系统是本系统的核心,由聚光镜、接收器和跟踪装置构成。


塔式光热发电系统的基本形式是利用独立跟踪太阳的定日镜群,将阳光聚集到一个固定在塔顶部的接收器上,产生的高温加热传热介质,高温传热介质来加热蒸汽以驱动常规的汽轮发电机组发电。这种发电方式无需常规能源,动力供给完全来源于集热系统内因太阳辐射产生的高温传热介质。这种光热发电系统主要有定日镜阵列、高塔、受热器、传热流体、换热部件、蓄热系统、控制系统、汽轮机和发电系统等组成。


碟式光热系统借助于双轴跟踪,利用旋转抛物面反射镜,将入射的太阳辐射进行点聚集,吸热器吸收这部分辐射能并将其转换成热能,加热工质以驱动热机(如燃气轮机、斯特林发动机或其它类型透平等),从而将热能转换成电能。碟式光热发电系统主要由太阳能凹面聚焦镜、接收器和发电机组成。太阳能斯特林发电技术是将斯特林发电机直接放在焦点处。


菲涅尔系统就是简化了的槽式系统。菲涅尔系统其实就是用一组平板镜来取代槽式系统里的抛物面型的曲面镜聚焦。通过调整控制平面镜的倾斜角度,将阳光反射到集热管中,实现聚焦加热。为了简化系统,一般采用水、油或熔盐作为吸热介质。相比于抛物面型的曲面镜,平面反射镜制造难度低,因此大大降低了初始投资成本。


不管是什么技术路线,由于光热发电是采用常规的汽轮机发电,电流稳定,加之系统可以引入熔融盐储热,白天将盐从固态变成液态,晚间再用400℃左右的熔融盐将水变成蒸汽发电,这样一来,就解决了风电与光伏发电最令人头痛的调峰问题。只要规模足够大,光热发电的成本更是新能源中最具有竞争力的。


2.3 太阳能发电的运行方式

将太阳的辐射能转变成电能的发电装置称为太阳能发电系统。太阳能发出的电能通过运行系统输送到到用户做功。

地面民用太阳能发电系统的运行方式,主要分为离网运行和联网运行两大类。


3太阳能发电配套有机硅材料的研究开发

3.1 有机硅材料的特性与功能

有机硅材料形态多样,既有小分子化合物,也有可流动的液态聚合物,还有弹性的硅橡胶类和坚硬的硅树脂及涂料等产品。有机硅聚合物大多具有类似硅酸盐的高分子骨架,同时其侧链带有有机基团。这样的半无机半有机特殊高分子结构,赋予有机硅材料耐高温耐低温、耐气候老化、憎水防潮、高绝缘强度和低介电损耗、光学透明、安全无毒等一系列优良性能。因而有机硅材料不仅适应多种场合的应用,而且还可以胜任通用型合成材料不能承受的严酷环境下的苛刻使用条件。用作在户外条件下长期工作的太阳能发电装置配套材料,有机硅产品显示出无与伦比的优越性能。


3.2 太阳能发电领域配套应用的有机硅材料

有机硅产品是优良的耐热电绝缘材料,广泛应用于通用的发电、变电、输电等强电应用领域。在太阳能发电装置建设和安全运行中,有机硅材料常常是不可替代的重要配套材料。下面简单列举在太阳能发电装置中特殊应用的有机硅材料。

3.2.1 太阳能电池系统配套应用的有机硅材料

太阳能光伏发电装置设置于室外,在四季寒暑变化的自然环境中,要求耐受长期光照、高低温循环、风雨冲刷、灰尘砂砾侵蚀等严酷自然条件。为太阳能电池配套的材料,必须满足耐气候老化、长期性能稳定等特定使用要求。

太阳能电池的基本结构如下图:


用于太阳能电池的装配的有机硅材料及其相关技术关键分述如下:

● 太阳能电池粘接密封用单组分室温硫化硅橡胶

单组分室温硫化硅橡胶可用于太阳能电池的边框密封剂、接线盒密封剂、汇流条密封剂、薄膜组件支架粘接剂等。

适用于太阳能电池粘接密封的单组分室温硫化硅橡胶是中性硅橡胶,以保护电池芯片不受污染腐蚀,同时要求硫化后的硅橡胶具有阻燃性能。

● 太阳能电池芯片表面减反射膜层材料

在电池芯片表面要应用硅溶胶或硅烷处理,生成减反射膜,以提高太阳能电池吸收光照效率。

● 太阳能电池组件透光表面的保护膜

在太阳能电池组件的透光表面上涂覆有机硅涂层,保护电池表面免遭外界因素损伤,并且提高接收光照效率。

适用的有机硅涂料是有机硅树脂为基料的特殊涂料,要求室温快速固化,固化后的膜层应具有适当高的折射率,并且对基材粘附牢固。

● 太阳能电池组件装配用填充粘接材料

在太阳能电池组件中,芯片周围要填充透明材料粘接固定,以往较多应用EVA材料热熔填充,在发电运行过程中,经常出现EVA黄变、透光率降低和脱粘等现象,导致电池发电效率降低。为了延长光伏电池的工作寿命和提高发电效率,采用液体硅橡胶填充粘接才是科学合理的选择,尤其是应用加成型液体硅橡胶填充灌封太阳能电池组件,将会达到最佳效果。

研究开发适用于光伏电池填充封装的加成型液体硅橡胶,必须解决保证硅橡胶的高透光性能和可靠的粘接性能等技术关键。


3.2.2 太阳能光热发电系统应用的有机硅材料

在太阳能光热发电系统特殊应用的有机硅材料举例如下:


● 太阳能光热发电系统的高温传热介质硅油

为了提高发电效率,太阳能光热发电系统的传热介质工作温度高达400℃以上,通用型导热油不仅不能满足安全工作温度要求,而且导热油在长期泵送运行中会因机械剪切分子断链导致耐热性能下降。具有半无机半有机高分子结构的硅油,耐热性能和聚合物分子抗剪切性能优良,可以充当光热发电的传热介质,特定结构的苯甲基硅油不仅耐热性能、抗剪切性能优良,还特别具有突出的耐热氧化性能。同时再引进热稳定剂等助剂,进一步提高硅油的热稳定性能。应用苯甲基硅油作高效传热介质,可保证光热发电系统长期稳定运行。


● 太阳能光热发电构筑物的耐热耐候有机硅涂料

太阳能光热发电的构筑物要长期露置于强光照射和在高温环境中工作,其金属构件等必需应用高耐热和高耐候涂料涂覆保护。通用型耐热耐候涂料都难以满足光热发电的苛刻使用要求。甲基苯基硅树脂具有优良的耐热耐候性能,可以应用硅树脂作基材的有机硅涂料作为光热发电构筑物的保护涂料。

研究开发适用于光热发电构筑物耐热耐候保护涂料的技术关键是合成高固化活性的有机硅树脂。因为通用型甲基苯基硅树脂普遍存在固化活性低、固化后的漆膜与基材粘附强度低和固化后的漆膜容易返粘等缺陷,以通用型硅树脂制得的涂料尚不能完全满足光热发电的配套需求。应用亲核反应催化剂催化合成的高固化活性硅树脂,不仅可以做到室温下即可催化交联固化,而且固化后的涂膜与基材粘接牢固,固化后的漆膜永不返黏[3]。应用高固化活性有机硅树脂为基料的高耐热高耐候有机硅涂料,可作为光热发电塔架等建筑结构的优良涂覆保护涂料。


● 太阳能光热发电菲涅尔透镜成型用有机硅材料

以菲涅尔透镜作为聚光构件的太阳能光热发电系统已经崭露头角。应用菲涅尔透镜的特殊结构,用一组平板镜取代抛物面型的曲面镜聚焦即可实现太阳光高效聚焦,菲涅尔透镜制造工艺简便,运行稳定,因而菲涅尔系统光热发电受到广泛关注。

虽然多种透明材料都可以用来制造菲涅尔透镜,但就成型加工工艺、制件自身重量、制件尺寸稳定、材质耐候耐热稳定性等各种因素比较,高透明性硅橡胶具有明显优势。尤其是以加成反应硫化型液体硅橡胶作为光热发电用菲涅尔透镜的基础材料,因为成型工艺简便、成型的透镜重量轻、性能稳定、耐气候老化,硅橡胶透镜将会保证菲涅尔系统聚光效率提高,长期运行稳定可靠。


3.3 太阳能发电配套应用有机硅材料研究开发

大部分有机硅材料尽管具备适用于太阳能发电配套用的基本性能,但并不是现有通用型有机硅产品都可以直接应用于太阳能发电装置中。太阳能发电的大部分构件必需长期处于室外自然环境中工作,为保证组件在室外条件下正常使用20~25年以上,其配套材料必须与发电构件充分匹配。为了做好配套应用,就必须根据太阳能发电的具体技术要求,进行专门研究开发,着力解决重要技术关键,并通过模拟应用试验进行考核优选,以全面检测研制产品的工艺性能和使用性能。通过测试和模拟应用试验发现缺陷和不足,有针对性地研究改进,确保研制产品充分满足太阳能发电的使用要求。


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